气胎离合器设计报告

1、气胎离合器设计报告1 概述气胎离合器是石油钻机和石油修井机的重要传动部件之一。在钻机和修井机工作的过程中用来传递扭矩和分离传动系统。其主要功用为：a)在动力传输系统中传递扭矩；b)在泵组中充当离合器和传递扭矩；c)在特殊工况时可以当气控刹车使用。气胎离合器的工作原理：当离合器的气胎中注入压缩空气后，气胎膨胀，通过闸瓦推动摩擦块抱向摩擦毂，摩擦块与摩擦毂之间产生摩擦力，继而摩擦块抱紧摩擦毂，这样，离合器一端轴的转动带动离合器转动，离合器的转动通过摩擦块带动摩擦毂的转动，将扭矩传递过去；当气胎中的压缩空气排出后，气胎收缩，闸瓦中的弹簧片推动闸瓦和摩擦块退回，摩擦块和摩擦毂松开，传递动力结束。离合器

2、依照中华人民共和国天然气行业标准SY/T6760-2010石油钻采设备用气胎离合器，按照石油钻采设备的相关要求，并参照EATON公司相关结构设计制造的。其中，钢圈、扭力杆为主承载件。2 气胎离合器结构形式及主要参数图1 气胎离合器结构图2 气胎离合器的主要参数如图2，离合器的主要结构参数有气胎作用直径D，气胎作用宽度B，鼓轮直径d和鼓轮有效宽度b。主要结构参数相互关系确定如下：以鼓轮直径为计算目标，而将其它参数用相应系数乘以d来表示。同时，在初步计算时假定气胎作用宽度和鼓轮有效宽度相等，即B=b。则有 （1）式中 b 鼓轮有效宽度，(m) B气胎作用宽度，(m) d鼓轮直径，(m) 比例系数，

3、取值范围0.150.5，大规格取小值，小规格取大值，此处取0.253 气胎离合器计算转矩的确定为了使离合器在设备起动时有一定的起动加速,在运行中有一定的过载能力,以保证可靠运行,在设计计算时,计算转矩要大于理论转矩，由机械设计手册新版第三卷第22篇5.2节，得计算转矩 (Nm) (2)式中 T 离合器传递的理论转矩，(Nm)，气胎离合器设计额定转矩为61090 Nm，即离合器传递的理论转矩。 K离合器的工作情况系数，查机械设计手册，取钻探机械的工作情况系数为2； Kp安全系数，一般取1.21.5，此处取1.3。因此 4 根据供气压力初步确定鼓轮直径 鼓轮直径按下式计算 （m） (3)式中 机械

4、效率(由离心力、摩擦力等引起的损失造成)，初步计算时可取=0.860.92，大规格取大值；此处取0.9； 闸瓦鼓轮摩擦副的摩擦系数，石棉橡胶摩擦材料对钢= 0.30.32，此处取0.3；为比例系数，初步计算可以取=1.33； 压缩空气工作压力(MPa)，取最大1 MPa； 压力损失，一般取0.03MPa0.07Mpa，此处取0.05 Mpa其他代号同前。因此 d=1065mm1059mm，满足气胎离合器额定扭矩传递的要求。5 强度分析5.1根据气胎强度条件确定离合器许用扭矩 由机械设计手册新版第三卷第22篇5.2节，气胎离合器许用扭矩须满足 （4） 式中 R气胎内侧胎面的半径，600mm； 气

5、胎内侧的宽度，200mm； 气胎材料的许用切应力，(MPa)；查机械设计手册，取。所以则 可见，许用转矩满足气胎离合器额定扭矩传递的要求。5.2闸瓦摩擦面压力校核闸瓦摩擦面压力应满足下式 （5）式中 鼓轮对闸瓦摩擦面的压力，(MPa)；d=1065mm，b=232mm，查机械设计手册，对半金属摩擦基材料可取所以 1.28可见，闸瓦摩擦面可承受工作压力，满足要求。5.3扭力杆的强度校核扭力杆作为一个传递扭矩的重要部件，它是否能达到强度要求决定着扭矩是否能顺利传递扭矩。因此对扭力杆的强度校核必不可少。根据扭力杆和侧板连接方式及其工作原理，每个扭力杆与侧板连接处可简化为悬臂梁来计算，剪力线性均匀分布

6、在连接端，如图3。图3 扭力杆受力简化图及剪力图、弯矩图由扭力杆图纸可得，l=12mm；均布载荷 式中 R 扭力杆作用半径，由图纸得为675mm； n 扭力杆数量，20个；则 最大弯矩 最大剪力 最大弯曲正应力须满足公式 (6)式中 W 抗弯截面系数，对截面直径为d的圆形，查图纸，d=15mm； 许用应力，扭力杆材料为45号钢，查GB/T699-1999，得屈服强度为355Mpa，安全系数为1.3，所以，许用应力。则 可见，最大弯曲正应力满足强度条件。最大弯曲切应力须满足公式 （7）式中 对截面直径为d，半径为R的圆形，； 剪切许用应力，根据7K 4.7规定。则 可见，最大弯曲切应力满足强度条

7、件。5.4钢圈的强度校核 对于钢圈的受力有来自动力端的扭矩和来自气胎的内压。由力的叠加原理，将钢圈的受力简化为薄壁圆筒的扭矩和圆筒受内压作用的叠加，如下图。图4 钢圈受力简化图根据材料力学，钢圈扭转时的切应力 （8）式中 扭矩，此处为计算转矩； r 钢圈平均半径，由图纸得r =641mm； 钢圈厚度，25mm。 则 根据弹性力学，钢圈受1 内压时，钢圈的径向应力和周向应力分别为： (9) (10)由以上两式可知，径向应力为压应力，且在内壁处应力的绝对值最大。周向应力的符号始终为正，在内壁处为最大值。式中 ；从钢圈图可看出 ； 647.5mm。则有 = ; = ; 又，钢圈扭转时的切应力方向与钢

8、圈受内压产生的周向应力方向一致。因此 ， ， 根据第四强度理论，最大当量应力为 54.3钢圈材料为Q235B，屈服强度=235 ，许用应力，最大当量应力，所以，钢圈强度满足要求。5.5焊缝的强度校核钢圈中圈自身连接的焊缝为对接焊缝，对接焊缝中的应力分布与焊件的应力分布情况基本相同，没有应力集中。此焊缝的最大当量应力和钢圈的最大当量应力基本相等。又，焊缝的许用应力为可见，对接焊缝满足强度要求。圈和侧板连接的焊缝为角焊缝，焊接均匀，没有应力集中。构件受力平行于焊缝的剪力(A为钢圈横截面面积)=， （11）式中 h 角焊缝的计算高度，为0.7倍的焊脚尺寸，14mm； lw角焊缝的实际长度减去10mm

9、，为3.141295-10=4056mm。则 可见，角焊缝满足强度要求。6结论经过对气胎离合器结构以及受力分析、计算，证明气胎离合器的设计是符合API Spec 7K钻井和修井设备要求的，胎离合器是安全可靠的。参考文献1 机械设计手册M 第3卷，王文斌 主编，机械工业出版社。2 机械设计手册M 第2卷，成大先主编，北京，化学工业出版社，1982。3 材料力学M （上、下册）第三版，高等教育出版社，1992，113-154。4 钻井井架、底座的设计计算 常玉连 编，石油工业出版社，1994.65 美国石油学会标准API 7K 钻井和修井设备6 弹性力学M第3版 徐芝纶北京：人民教育出版社1990

10、第二部分 有限元分析1 引言气胎离合器有限元分析使用ANSYS软件进行的。该软件是ANSYS公司推出的工程仿真技术集成平台。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。气胎离合器是石油钻机和石油修井机的重要传动部件之一。在钻机和修井机工作的过程中用来传递扭矩和分离传动系，是动力传递过程中的关键部件，属于弹性联轴器之类。

11、它主要由摩擦片、铜螺栓、弹簧片、扭力杆、闸瓦、气胎、钢圈等零件组成。气胎离合器的结构相互作用较为复杂，铜螺栓、弹簧片等结构对气胎离合器计算结果的影响不大，而且不对结构进行简化，会对后续的计算分析带来很大困难，不仅是计算的时间会大大延长，一旦超出计算机内存容量就会出现错误。此次建模，把、铜螺栓、弹簧片等结构忽略掉，仅保留与受力分析相关的如扭力杆、钢圈等主要结构，用ANSYS软件对其进行分析。2 扭力杆的有限元分析2.1扭力杆力学模型的建立和单元类型的选取在ANSYS中直接建模，如下图所示2.2 材料性能参数的设定扭力杆材质为45号钢，其材料主要参数设定为：a) 弹性模量E=2.1×10

12、11Pab) 密度：7850Kg/m3c) 泊松比：0.32.3 网格划分网格划分效果网格的节点数和单元数对扭力杆采用四面体主导的方法进行了网格划分，并对局部区域进行了局部网格细化。计算后，得模型的网格节点数为3600和单元数为15612。2.4 施加载荷与约束根据扭力杆和侧板连接方式及其工作原理，每个扭力杆与侧板连接处剪力线性均匀分布在连接端。扭力杆两个面积较小的矩形面施加垂直于面的约束。扭力杆加载及约束模型见图2 施加载荷和约束2.5 当量应力云图当量应力云图临界应力区域的确定和高应力、低应力的识别根据美国石油学会标准API 7K 钻井和修井设备第8.4.1条，临界应力区域为不小于下列数值

13、的所有区域0.75×=0.75×Mpa =204.8 MpaSY 最小屈服强度。45号钢，SY=s=355MPa；FDS 设计安全系数。FDS=1.3；从受压状态的当量应力图和受拉状态的当量应力图可看出，最大当量应力为186.56 Mpa204.8 Mpa，所以没有高应力。低应力区域为应力级别为小于下列数值的区域：= =27.30 MpaSY 最小屈服强度。45号钢，SY=s=355MPa；FDS 设计安全系数。FDS=1.3；从当量应力图可看出，低于27.30 Mpa的区域为低应力区域。从受剪状态的当量应力图可看出，最大当量应力为186.56Mpa ，扭力杆材料为45号钢

14、，屈服强度为355Mpa，许用应力为273 Mpa。可见最大当量应力 186.56Mpa，所以扭力杆满足强度要求。 2.6 当量应变云图 当量应变云图由上图可看出扭力杆的最大当量应变为0.24510-7mm其值微小，几乎可以忽略不计，所以，最大挠度符合设计要求。3 钢圈的有限元分析 3.1 有限元模型的建立 因为需要对其进行静应力强度分析。而进行静应力分析时，结构中一些相对尺寸很小的细节，如倒角、倒圆等细节，对结构内部的应力大小和分布影响较大。又由于钢圈有一个对称面，结构的应力、应变和约束均对称，故取钢圈整体的二分之一、并在对称面上施加对称约束进行分析。这样，可以极大地减少运算量。故对钢圈完全

15、按照图纸尺寸建立有限元模型如下： 3.2 材料性能 钢圈材质为Q235B，其材料主要参数设定为：a) 弹性模量E=2.1×1011Pab) 泊松比：0.3如下图所示。 3.3 网格划分钢圈的网格划分效果钢圈的网格的节点数和单元数对钢圈采用、四面体主导的方法进行了网格划分。计算后，得模型的网格节点数为154080和单元数为88619。3.4施加载荷和约束在对称面和各个孔的表面上施加对称约束。钢圈内壁施加1MPa的压力以及158834 N·m。如下图施加载荷和约束3.5 当量应力云图当量应力云图临界应力区域的确定和高应力、低应力的识别根据美国石油学会标准API 7K 钻井和修井

16、设备第8.4.1条，临界应力区域为不小于下列数值的所有区域0.75×=0.75×Mpa =135.6 MpaSY 最小屈服强度。Q235B，SY=b=235MPa；FDS 设计安全系数。FDS=1.3；从受压状态的当量应力图和受拉状态的当量应力图可看出，最大当量应力大于133Mpa的区域其应力大于135.6 Mpa，所以152Mpa、171Mpa应力区域为高应力区域。低应力区域为应力级别为小于下列数值的区域：= =18.08 MpaSY 最小屈服强度。Q235B，SY=b=235MPa；FDS 设计安全系数。FDS=1.3；从当量应力图可看出，低于18.08 Mpa的区域为

17、低应力区域。从当量应力图可看出，最大 VonMises 应力出现在钢圈和扭力杆以及螺栓连接处，最大 VonMises 应力值为171Mpa ；钢圈的内壁应力分布较均匀，应力大部分在57.1Mpa。比较符合理论计算结果。钢圈最大应力的产生是由于连接孔引起的应力集中。内壁的应力是相对较低的。从当量应力图和可看出，最大当量应力为171Mpa，钢圈的材料为Q235B，屈服强度=235 ，许用应力， 最大当量应力171Mpa小于许用应力181Mpa。钢圈在工况下工作安全。4 闸瓦的有限元分析4.1 有限元模型的建立因为需要对其进行静应力强度分析。而进行静应力分析时，结构中一些相对尺寸很小的细节，如倒角、

18、倒圆等细节，对结构内部的应力大小和分布影响较大。故对闸瓦完全按照图纸尺寸建立有限元模型如下： 4.2 材料性能 闸瓦材料为铝合金ZL104，材料主要参数设定为：c) 弹性模量E=0.7×1011Pad) 泊松比：0.33如下图所示。4.3 网格划分闸瓦的网格划分效果闸瓦的网格的节点数和单元数对闸瓦采用四面体主导的方法进行了网格划分，并对局部区域进行了局部网格细化。计算后，得模型的网格节点数为61358和单元数为35003。4.4施加载荷和约束根据闸瓦的装配情况和实际受力特点，在螺栓孔出施加对称约束，闸瓦内侧表面施加径向约束，外侧表面施加1MPa的外压。施加载荷和约束4.5 当量应力云图及临界应力区域的确定和高应力的识别当量应力云图 临界应力区域的确定和高应力的识别根据美国石油学会标准API 7K 钻井和修井设备第8.4.1条，临界应力区域为不